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    影響開關(guān)模式、DC-DC轉(zhuǎn)換器效率的主要因

    作者: 時(shí)間:2011-05-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
    是由于電容絕緣材料的電阻(RL)導(dǎo)致較小電流流過電容而產(chǎn)生的功率損耗。電介質(zhì)損耗比較復(fù)雜,由于電容兩端施加了交流電壓,電容電場發(fā)生變化,從而使電介質(zhì)分子極化造成功率損耗。

    影響開關(guān)模式、DC-DC轉(zhuǎn)換器效率的主要因
    圖9. 電容損耗模型一般簡化為一個等效串聯(lián)電阻(ESR)

    所有三種損耗都體現(xiàn)在電容的典型損耗模型中(圖9左邊部分),用電阻代表每項(xiàng)損耗。與電容儲能相關(guān)的每項(xiàng)損耗的功率用功耗系數(shù)(DF)表示,或損耗角正切(δ)。每項(xiàng)損耗的DF可以通過由電容阻抗的實(shí)部與虛部比得到,可以將每項(xiàng)損耗分別插入模型中。

    為簡化損耗模型,圖9中的接觸電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗集中等效為一個等效串聯(lián)電阻(ESR)。ESR定義為電容阻抗中消耗有功功率的部分。

    推算電容阻抗模型、計(jì)算ESR (結(jié)果的實(shí)部)時(shí),ESR是頻率的函數(shù)。這種相關(guān)性可以在下面簡化的ESR等式中得到證明:

    公式4

    式中,DFR、DFL和DFD是接觸電阻、漏電流和電介質(zhì)損耗的功耗系數(shù)。

    利用這個等式,我們可以觀察到隨著信號頻率的增加,漏電流損耗和電介質(zhì)損耗都有所減小,直到接觸電阻損耗從一個較高頻點(diǎn)開始占主導(dǎo)地位。在該頻點(diǎn)(式中沒有包括該參數(shù))以上,ESR因?yàn)楦哳l交流電流的趨膚效應(yīng)趨于增大。

    許多電容制造商提供ESR曲線圖表示ESR與頻率的關(guān)系。例如,TDK為其大多數(shù)電容產(chǎn)品提供了ESR曲線,參考這些與開關(guān)頻率對應(yīng)曲線圖,得到ESR值。

    然而,如果沒有ESR曲線圖,可以通過電容數(shù)據(jù)資料中的DF規(guī)格粗略估算ESR。DF是電容的整體DF (包括所有損耗),也可以按照下式估算ESR:

    公式5

    無論采用哪種方法來得到ESR值,直覺告訴我們,高ESR會降低開關(guān)電源效率,既然輸入和輸出電容在每個開關(guān)周期通過ESR充電、放電。這導(dǎo)致I2 × RESR功率損耗。這個損耗(PCAP(ESR))可以按照下式計(jì)算:

    PCAP(ESR) = ICAP(RMS)2 × ESR

    式中,ICAP(RMS)是流經(jīng)電容的交流電流有效值RMS。對降壓電路的輸出電容,可以采用電感紋波電流的有效值RMS。輸入濾波電容的RMS電流的計(jì)算比較復(fù)雜,可以按照下式得到一個合理的估算值:

    ICIN(RMS) = IOUT/VIN × [VOUT (VIN - VOUT)]1/2

    顯然,為減小電容功率損耗,應(yīng)選擇低ESR電容,有助于SMPS電源降低紋波電流。ESR是產(chǎn)生輸出電壓紋波的主要原因,因此選擇低ESR的電容不僅僅單純提高效率,還能得到其它好處。

    一般來說,不同類型電介質(zhì)的電容具有不同的ESR等級。對于特定的容量和額定電壓,鋁電解電容和鉭電容就比陶瓷電容具有更高的ESR值。聚酯和聚丙烯電容的ESR值介于它們之間,但這些電容尺寸較大,SMPS中很少使用。

    對于給定類型的電容,較大容量、較低的DfS能夠提供較低的ESR。大尺寸電容通常也會降低ESR,但電解電容會帶來較大的等效串聯(lián)電感。陶瓷電容被視為比較好的折中選擇,此外,電容值一定的條件下,較低的電容額定電壓也有助于減小ESR。


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